气液两相流及其流量测量

(1)   气液两相流及其流动结构  液体及其蒸汽或组分不同的气体及液体一起流动的现象成为气液两相流。前者称为单组分气液两相流，后者称为多组分气液两相流。气液两相流在动力、化工、石油、冶金等工业设备中是常见的，在流动时气相和液相存在流速差，在测量流量时应考虑此相对速度。

气液两相流按流动方向不同，存在多种流动结构。图3.86所示为垂直上升管中的气液两相流动结构；图3.87所示为垂直下降管中的气液两相流动结构；图3.88所示为水平管中的气液两相流动结构。

①             垂直上升管中的气液两相流动结构。实验研究证明，在垂直上升管中的气液两相流动，其基本结构有下列五种：细泡状流动结构、弹状流动结构、块状流动结构、带纤维的环状流动结构和环状流动结构。

图3.86垂直上升气液两相流的流动结构

(a)细泡状流动结构；(b)弹状流动结构；（c）块状流动结构；(d)带纤维的环状流动结构；(e)环状流动结构

这五种流动结构分别具有下列特点。

a.       细泡状流动结构。细泡状流动是见的流动结构之一，其特征为在液相中带有散布的细小气泡。直径小于1mm的气泡是球形的，直径大于此值的气泡，其外形是多种多样的。

b.      弹状流动结构。弹状流动结构由一系列气弹组成，气弹端部呈半球状，而尾部是平的，在两气弹之间夹有小气泡，气弹与管壁之间的液膜是往下流动的。

c.       块状流动结构。块状流动结构是由于气弹破裂而形成的，此时，气体块在液流中以混乱状态进行流动。

d.      带纤维的环状流动结构。在带纤维的环状流动结构中，管壁上液膜较厚且含有小气泡，被中心部分气核从液膜带走的液滴在气核内形成不规则的长纤维形状，这种流型常在高质量流速时出现。

e.       环状流动结构。在环状流动结构中，管壁上有一层液膜，管道中心部分为气核，在气核中带有因气流撕裂管壁液膜表面而形成的细小液滴。

图3.87垂直下降气液两相流的流动结构

(a)细泡状流动结构；(b)弹状流动结构；(c)带下降液膜的环状流动结构；（d）带含泡下降液膜的环状流动结构；（e）块状流动结构；(f)环状流动结构

②垂直下降管中的气液两相流动结构。从图3.87所示的气液两相流在直管中垂直向下流动时的流动结构可以看出，气液两相作垂直下降流动时的细泡状流动结构和作垂直上升流动时的细泡状流动结构不同，前者细泡集中在管子核心部分而后者则散布与整个管子截面上。当液相流量不变而使气相流量增大，则细泡将聚集成气弹，形成具有下降弹状流动结构的气液两相流。垂直下降气液两相流也可形成下降流动的环状流动结构。当气相及液相流量小时，管壁上有一层向下流动的液膜，管子中心部分为向下流动的气核，这种流动结构称为带下降液膜的环状流动结构。如液相流量增大，气泡将进入液膜，形成带含泡下降液膜的环状流动结构。当气液两相流量都增大时会出现向下流动的块状流动结构。当气相流量继续增大，气液两相流可具有管壁上有下降液膜，管子中心部分为带液滴的下降气核的环状流动结构，这种环状流动结构和垂直上升气液两项流的环状结构相近，但流动方向相反。

③水平管中的气液两相流动结构。气液两相流体在水平管中的流动结构比在垂直管中更为复杂，其主要特点为所有流动结构都不是轴对称的，这主要是由于重力的影响使较重的液相偏向于沿管道下部流动造成的。

实验研究表明，气液两相流在水平管中流动时，其基本流动结构有下列六种：细泡状流动结构、柱塞状流动结构、分层流动结构、波状流动结构、弹状流动结构和环状流动结构。

图3.88是这些流动结构的示意。由图可见，这些流动结构分别具有下列特点。

图3－88水平气液两相流的流动结构

a.           细泡状流动结构。水平管中的细泡状流动结构和垂直管中的不同，由于重力的影响，细泡大都位于管子上部。

b.          柱塞状流动结构。当气相流动增加时，小气泡合并成气塞，形成柱塞状流动结构。柱塞倾向于沿管子上部流动。

c.           分层流动结构。当气液两相流量均小时会发生分层流动结构。此时气液两相之间存在一平滑分界面，气液两相分开流动。

d.          波状流动结构。当气相流量较大时，气液两相分界面上会出现流动波，形成波状流动结构。

e.           弹状流动结构。当气相流量再增大时，气液两相流的流动结构可以从波状转变为弹状流动结构。此时，气液分界面由于剧烈波动而在某些部位直接和管子上部接触，将位于管子上部的气相分隔为气弹，形成弹状流动结构。在水平流动时，气液两相流的气弹都沿管子上部流动。

f.            环状流动结构。在水平流动时，气液两相的环状流动结构出现于气相流量较高的工况。水平流动时的环状流动结构和垂直上升时的环状流动结构相近，管壁上有液膜，管子中心部分为带液滴的气核，但由于水平流动时重力的影响作用，下部管壁的液膜要比上部管壁的厚。

  在油田常经分离设备将液气分离，然后分别测液相和气相流量。

（2）气液两相流体的流量测量方法  从制造商提供的资料可看出，有几种仪表可用来测量离散相浓度不高的两相流体的流量，来自用户的报道也有一些成功应用的实例，但目前使用的流量计都是在单相流动状态下评定其测量性能，现在还没有以单相流标定的流量计用来测量两相流时系统变化的平定标准，因此这样的应用究竟带来多大的误差还不很清楚，仅有一些零星的数据和一些定性的分析。

①电磁流量计。当液体中含有少量气体时，气体在液体中的分布呈微小气泡状，这时，电磁流量计仍能正常工作，只是所测得的为气液混合物的体积流量。当液体中所含气体数量增加后，气泡几何尺寸逐渐增大，进而向弹状结构过渡。当气泡的尺寸等于和大于流量计电面尺寸并从电极处掠过时，电极就有可能被气体盖住，使电路瞬时断开，出现输出晃动，甚至不能正常工作。

② 科氏力质量流量计。制造商通常声称含有百分之几体积比的游离气体的液体对科氏力质量流量计正常测量影响不大，当被测液体中所含气泡小而均匀的情况下，例如冰淇淋和相似乳化液，可能是对的。然而，实验结果却并不乐观。据有关文献介绍意大利对7种型号科氏力质量流量计含气量影响试验表明：含气泡1％（体积比）时有些型号无明显影响，有些型号误差为1％～2％，而其中某一双管式型号则高达10％～15％；含气泡10％时，误差普遍增加到15％～20％，个别型号高达80％。由此可见，不同测量管结构、不同型号的科氏力流量计受含气量影响差异很大，不能将一种型号的试验数据推广到其他型号。

③超声流量计。多普勒法超声流量计工作原理如第3.3.2节所述，主要用于测量含有适量能给出强反射信号的颗粒或气泡的液体。此类仪表测量的仅仅是体积流量或测量管内的平均流速，如果要测量质量流量，还得增设流体密度计。

由于此类仪表检测的不连续点（即气泡）的流速，由于流通截面中各点流速的不一致性，使得测量结果相对于管道内的平均流速之间存在不确定性，从而导致其测量性能较差。其不确定度一般只能达到±（1％～10％）FS，重复性为（0.2％～1％）FS。

多普勒超声流量计适用的气泡含量上限虽比传播时间法大得多，但也是有限的，尤其是管径较大时，气泡含量过高，超声信号衰减严重，以致不能测量。因此选用应谨慎，事先应向制造商咨询。

④相关流量计。应用相关法可以测量管道内流体的流速或体积流量，若要测量两相流体的质量流量，则还需增设密度计。

相关流量计工作原理如图3.89所示。设在测量管段取两个控制截面A即B，两者相隔一小段距离L，在管内两相流中，各相不可能混合得十分均匀，各相含量的分布在流动过程中是变化的。由于所取的两控制截面之间距离很短，可以认为在该距离内流动时，两相流中各相含量的分布是不变的，如在管道截面A处布置一台探测器测定两相中一相的含量随时间的变化曲线X（t），再在截面B处布置另一台探测器测定同一相的含量随时间的变化曲线Y(t)，并将X(t)和Y(t)示于图3.90中，则由图可见，曲线X(t)值恶化曲线Y(t)值之间距离 t应代表流体由A截面流到B截面所需的时间[在图3.90中，横坐标为时间，纵坐标X(t)和Y（t）为被测一相的含量值]。测得流体流过距离为L这一管段长的时间 t后，即可按下式计算两相流体的体积流量q_v。

qv=                                                            (3.114)

式中  A——管道横截面积；

      K——考虑速度偏差的系数。

图3.89相关法流量测量原理                                图3.90应用相关法测量流量的关系曲线

这一测量方法是利用两截面上测得的某相含量信号之间的相互关系而测定两相流速的，故称相关法。

应用相关法测量两相流量的优点是适应面广，既适用于气液两相流体，也适用于各种脏污流体、浆液、液固两相流，但价格昂贵，影响其推广应用。因此，现在仍处于实验阶段。

⑤应用变液位法测量气液两相流流量。前面所述的四种方法用来测量气液两相流流量都不够完善，因为它们能够实现的测量同第3.7.2节所提出的测量要求还有很大差距。当然，有的测量对象如果只需知道气液混合物体积流量或质量流量，这些方法就可能投入实际应用。但若需进一步知道各相质量流量或气相流量质量含量，那就需另想办法。其中将气液两相*分离，然后，用测量单相流量的方法分别测量气液两相的质量流量（如果必要）。

图3.91所示为储液器固定的变液位流量计结构示意。常用来测量含汽油中的石油流量。由图可见，石油和气体的混合物由管1切向进入分离室2，使气液分离。气体经分离室后流入储液器4，再经槽缝7流入容器下部6后，和气体一起经管5流出。储液器中装有稳定液位用的隔板3，储液器4中的液位可采用差压计测出储液器中液柱静压的方法来确定。根据读出的差压可确定液位高度h，再根据各相应计算式（一种形状的槽缝对应一种计算式）算出液体体积流量qv。详情请参阅文献^[41]。

图3.91储液器固定的变液位流量计结构示意

其实，将仅适用单相流的流量计与气液分离器配合用来测量气液两相流中的部分参数应用的最多的是饱和蒸汽流量测量。饱和水蒸气经长距离输送，因热量损失而部分蒸汽变成冷凝水，管道中流体变成气液两相流，影响某些原理的流量计的正常工作。常用的做法是在流量计前装设一气液分离器，然后将液体经疏水器排放掉。经气液分离后的蒸汽可近似看作为单相流，从而用一般流量计进行测量。